用于预测压气机中的喘振的方法技术

一种用于预测压气机(14)的喘振点的计算机实现的方法(100)，包括以下步骤：‑生成(110)多个网格，即，压气机入口网格(220)、至少一个压气机转子级网格(225)和压气机出口网格(235)，压气机出口网格(235)表示多个出口导叶(236)和一个出口喷嘴(37)并且延伸到最终喷嘴出口区域(240)；‑组装(120)所述多个网格(220、225、235)以获得CFD域(250)；‑指定(130)计算域(250)的边界条件(130)；‑指定(140)最终喷嘴出口区域(40)处的大气压力条件(140)；‑计算(150)压气机入口质量流率和压气机压力比；‑如果没有达到数值稳定极限，则：‑减小(180)最终喷嘴出口区域(240)的尺寸(A1)；‑再次生成(190)压气机出口网格(235)；‑重复所述指定最终喷嘴出口区域(240)处的大气压力(140)的步骤、所述计算(150)步骤和所述检查(160)步骤。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于预测压气机中的喘振的方法
本专利技术涉及用于通过CFD(“计算流体动力学”)计算来预测压气机性能中的喘振的计算机实现的方法。
技术介绍
在压气机设计和研发过程中，通过成本有效的稳态CFD计算来预测喘振裕度的能力是最重要的。然而，在现有技术中，有把握地预测喘振裕度可能是相当困难的。这尤其是归因于当前CFD模型的缺点，即，归因于在CFD计算中被网格化和求解的域。通常，已知将CFD计算方法应用于以下模型，该模型包括：-入口几何结构，包括入口导叶；-转子级几何结构，-定子级几何结构；-出口几何结构，包括出口导叶。在出口导叶的出口处直接应用的平均静态压力边界条件被改变，以模拟各种压力比。当达到数值不稳定时，假定达到了对喘振点的估计。然而，通过数值不稳定对真实的压气机进行估计可能不准确，这是因为：如此靠近出口导叶的出口而应用的边界条件具有严格限制性质，因而导致了出口附近的人造流动分离，导致数值不稳定。实际上，真实的压气机的后面通常是燃烧系统或排气室，而燃烧系统或排气室通常没有在上面描述的已知的CFD模型中被考虑。本专利技术的目的是为了克服这些不便之处，以便通过CFD计算来更好地估计压气机的真实喘振点。
技术实现思路
为了实现以上限定的主要目的，提供了根据独立权利要求的计算机实现的方法。从属权利要求描述了本专利技术的有利变形和修改。根据本专利技术，提供了一种用于预测压气机的喘振点的计算机实现的方法，包括以下一系列步骤：-生成适合压气机的“计算机流体动力学”计算的多个网格，所述网格包括：-压气机入口网格，-至少一个压气机转子级网格，-表示多个出口导叶和出口喷嘴并且延伸直到最终喷嘴出口区域的压气机出口网格，-组装所述多个网格以获得“计算机流体动力学”计算域，-指定计算域的边界条件，-指定最终喷嘴出口区域处的大气压力条件，-通过“计算机流体动力学”计算来计算沿着压气机的流量，以计算压气机入口质量流率和压气机压力比，-检查是否达到了预定的数值稳定极限，如果没有达到数值稳定极限，则：-减小最终喷嘴出口区域的尺寸，-再次生成压气机出口网格，-重复所述指定最终喷嘴出口区域处的大气压力的步骤、所述计算步骤和所述检查步骤。有利地，在出口导叶的下游的计算域中提供喷嘴，以逐渐将压力降低到大气水平。大气压力边界条件被应用在喷嘴的出口处，而不考虑正在建模的压力比。然后，各种压力比和质量流率通过以下来实现，即，改变喷嘴的出口面积，直至达到数字不稳定。假设实现数值不稳定点时计算出来的压力比和入口质量流率与压气机真实喘振点相对应。实验测试证实，通过本专利技术计算出的喘振点实际上在可接受的误差裕度内接近于压气机的真实喘振。根据本专利技术的一个可能的实施例，压气机出口网格的长度是压气机的出口导叶的长度的n倍。更具体地，n可以在10至15之间。压气机出口网格的长度被选择，以便方便地且逐渐地将在出口导叶下游处的压力降低到大气压力水平。根据本专利技术的另一个可能的实施例，在所述方法的整个步骤中，尤其是在减小最终喷嘴出口区域的尺寸的步骤期间，当数字稳定极限尚未达到时，压气机出口网格的长度保持恒定。有利的是，这允许在计算步骤的两次连续执行之间修改压气机出口网格时，仅在一个边界几何参数上进行操作。根据本专利技术的另一个可能的实施例，压气机出口网格包括如下部分：在所述部分处，确定压气机出口压力以用于计算压力比。然后，出口压力被用于计算在由本方法确定的点填充压气机映射图时所使用的压气机压力比。在压气机映射图上使用通过本专利技术的方法计算的点，可以更准确地预测当操作压气机时的压气机喘振裕度。根据本专利技术的另一个可能的实施例，指定计算域的边界条件的步骤包括以下子步骤：-指定入口处的大气边界条件，-指定旋转表面的速度，-指定行界面处的混合平面。有利地，这提供了压气机的逼真的CFD模型。附图说明以上限定的方面以及本专利技术的其他方面从下面要描述的实施例的示例中显而易见，并且参照实施例的示例进行解释。以下将参照实施例的示例更详细地描述本专利技术，但是本专利技术不限于这些示例。图1是包括压气机的燃气涡轮发动机的纵向截面图，该压气机的性能可以用本专利技术的方法预测；图2示出了图1中的压气机的模型；图3示出了本专利技术的方法的示意性流程图；图4在压气机图上显示实验点与通过本专利技术的方法计算的点之间的比较。具体实施方式图1以截面图示出了燃气涡轮发动机10的一个示例。燃气涡轮发动机10按照流动顺序包括入口12、压气机部分14、燃烧机部分16和涡轮机部分18，它们通常按照流动顺序并且通常围绕和沿着纵向或旋转轴线20布置。燃气涡轮发动机10还包括轴22，轴22能够围绕旋转轴线20旋转并且纵向延伸穿过燃气涡轮发动机10。轴22将涡轮机部分18驱动地连接到压气机部分14。在燃气涡轮发动机10的运行中，通过空气入口12吸入的空气24被压气机部分14压缩并且被输送到燃烧机部分或燃烧器部分16。燃烧器部分16包括燃烧器增压室26、一个或多个燃烧室28以及固定至每个燃烧室28的至少一个燃烧器30。燃烧室28和燃烧器30位于燃烧器增压室26的内部。通过压气机14的压缩空气进入扩散器32并从扩散器32排出到燃烧器增压室26中，空气的一部分从燃烧器增压室26进入燃烧器30并与气态或液态燃料混合。然后，使空气/燃料混合物燃烧，并且来自燃烧机的燃烧气体34或工作气体通过燃烧室28经由过渡管道17被引导至涡轮机部分18。涡轮机部分18包括附接到轴22的多个动叶承载盘36。在本示例中，两个盘36各自承载涡轮机动叶38的环形阵列。然而，动叶承载盘的数量可以是不同的，即，可以仅一个盘，或者多于两个盘。另外，固定在燃气涡轮发动机10的定子42上的导叶40被设置在涡轮机动叶38的环形阵列的级之间。在燃烧室28的出口与涡轮机前缘动叶38的入口之间，设置了导叶44，导叶44将工作气体的流动转向到涡轮机动叶38上。来自燃烧室28的燃烧气体进入涡轮机部分18并且驱动涡轮机动叶38，涡轮机动叶38继而使轴22旋转。导叶40、44用于优化涡轮机动叶38上的燃烧气体或工作气体的角度。涡轮机部分18驱动压气机部分14。压气机部分14包括轴向串联的定子静叶级46和转子动叶级48。转子动叶级48包括支撑动叶的环形阵列的转子盘。压气机部分14还包括围绕转子级并支撑静叶级48的壳体50。导叶级包括径向延伸的静叶的环形阵列，所述静叶被安装到壳体50。静叶被提供用于在给定的发动机运行点处呈现对于动叶而言最佳角度的气流。一些导叶级具有可变的静叶，其中可以根据在不同的发动机运行条件下可能出现的空气流动特性，来调整静叶围绕其自身纵轴线的角度。上游紧邻第一上游转子动叶级的第一导叶级被确定为入口导叶(“IGV”)57。下游紧邻最后一个下游定子动叶级，并且在扩散器32上游的最后一个导叶级被确定为出口导叶(“EGV”)49。壳体50限定了压气机14的入口通道56的径向外表面52。入口通道56的径向内表面54至少部分地由转子的转子鼓53限定，转子鼓53部分地由动叶的环形阵列48限定。除非另有说明，术语“上游”和“下游”指的是通过发动机的气流和/或工作气体流动的流动方向。术语“上游”和“下游”是指通过发动机的气体的一般流动。术语“轴向”、“径向”和“周向”是相对于发动机的旋转轴线20而言的。图2示出了根据本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于预测压气机(14)的喘振点的计算机实现的方法(100)，包括以下一系列步骤：‑生成(110)适于所述压气机(14)的“计算机流体动力学”计算的多个网格，所述多个网格包括：‑压气机入口网格(220)，表示所述压气机(14)的一个入口导叶级(57)，‑至少一个压气机转子级网格(225)，表示所述压气机(14)的一个转子动叶级(48)，‑压气机出口网格(235)，表示多个出口导叶(49)和一个出口喷嘴并且延伸直到所述出口网格(235)的最终喷嘴出口区域(240)，‑组装(120)所述多个网格(220、225、235)以获得所述“计算机流体动力学”的计算域(250)，‑指定(130)所述计算域(250)的边界条件，包括至少指定表示所述压气机(14)的所述转子动叶级(48)的所述计算域(250)的表面的速度，‑指定(140)所述最终喷嘴出口区域(240)处的大气压力条件，‑通过“计算机流体动力学”计算来计算(150)沿着所述压气机(14)的流量并且计算压气机入口质量流率和压气机压力比，‑检查(160)是否达到了预定的数值稳定极限，如果没有达到所述数值稳定极限，则：‑减小(180)所述最终喷嘴出口区域(240)的尺寸(A1)，‑再次生成(190)所述压气机出口网格(235)，‑重复所述指定所述最终喷嘴出口区域(240)处的大气压力(140)的步骤、所述计算(150)步骤和所述检查(160)步骤，‑如果达到所述数值稳定极限，则停止所述方法，并且将所述压气机(14)的喘振点预测为在所述压气机(14)的映射图(M)上与所指定的速度以及与压气机入口质量流率和压气机压力比的最后计算值对应的点。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.14 EP 15181154.41.一种用于预测压气机(14)的喘振点的计算机实现的方法(100)，包括以下一系列步骤：-生成(110)适于所述压气机(14)的“计算机流体动力学”计算的多个网格，所述多个网格包括：-压气机入口网格(220)，表示所述压气机(14)的一个入口导叶级(57)，-至少一个压气机转子级网格(225)，表示所述压气机(14)的一个转子动叶级(48)，-压气机出口网格(235)，表示多个出口导叶(49)和一个出口喷嘴并且延伸直到所述出口网格(235)的最终喷嘴出口区域(240)，-组装(120)所述多个网格(220、225、235)以获得所述“计算机流体动力学”的计算域(250)，-指定(130)所述计算域(250)的边界条件，包括至少指定表示所述压气机(14)的所述转子动叶级(48)的所述计算域(250)的表面的速度，-指定(140)所述最终喷嘴出口区域(240)处的大气压力条件，-通过“计算机流体动力学”计算来计算(150)沿着所述压气机(14)的流量并且计算压气机入口质量流率和压气机压力比，-检查(160)是否达到了预定的数值稳定极限，如果没有达到所述数值稳定极限，则：-减小(180)所述最终喷嘴出口区域(240)的尺寸(A1)，-再次生成(190)所述压气机出口网格(235)，-重复所述指定所述最终喷嘴出口区域(240)处的大气压力(140)的步骤、所述计算(150)步骤和所述检查(160)步骤，-如果达到所述数值稳定极限，则停止所述方法，并且将所述压气机(14)的喘振点预测为在所述压...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·克里施纳巴布，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE